TBM隧道花岗岩蚀变带突泥涌水处理方案研究*

杨志勇

(云桂铁路云南有限责任公司，云南 昆明 650011)

0 引言

隧道施工中遇到的突泥涌水问题日益增多，尤其是隧道通过破碎带时发生突泥涌水、坍塌的灾害最为常见。因此，开展隧道突泥涌水研究具有重要意义[1-3]。目前，已有相关学者开展了该方面研究，如毕焕军[4]、钱富林[5]、刘钦等[6]和范亦农等[7]分别对大梁隧道、关角隧道、龙潭隧道及椒溪河隧道的突泥涌水机理开展了对应研究，并结合工程实际提出了相应的处置措施，有效指导了现场施工。但受区域地质条件及施工因素的影响，不同隧道的突泥涌水机理存在一定差异，进而仍需结合具体工程开展相应研究。本文以大瑞铁路高贡山隧道突泥涌水事故为工程背景，结合工程实际，提出了针对花岗岩蚀变带突泥涌水问题的不同解决方案，并对不同方案进行了合理分析，为今后解决类似工程问题提供参考。

1 工程概况

高黎贡山隧道全长34.538km，为时速140km/h的电气化铁路隧道，洞内线路纵坡为“人”字坡，最大线路坡度为23.5%。全隧共分布有19条断层及2个向斜，其中4条为导水热断层(裂)，2条为活动断裂。全隧预测最大涌水量为19.2万m3/d。隧道最大埋深1 155m。

出口工区采用TBM掘进施工为主，TBM施工区段长13.34km，正洞采用1台直径9.03m敞开式TBM施工，平导采用1台直径6.36m敞开式TBM施工。高黎贡山隧道出口工区正洞、平导分别于2016年8月1日和2016年5月1日开始施工，正洞段长13 260m，平导段长11 518.58m。截至2019年10月28日，正洞TBM掘进4 579m，平导TBM掘进4 461m。

1.1 出口工区地质特征

1.1.1地质构造特征

隧道出口工区以燕山期花岗岩为主，地表零星覆盖第四系坡残积粉质黏土。本次不良地质段邻近钻孔揭示有节理密集发育的岩体破碎带(Fbr)。其次隧区位于印度板块与欧亚板块相碰撞的板块结合带，为青、藏、滇、缅巨型“歹”字形构造西支中段弧形构造带与经向构造带之“蜂腰部”南段。工作区内，怒江断裂带(F1)和泸水-瑞丽断裂带(F2)在本工作区北缘紧密挤压成平行索状，往南两断裂带逐渐撒开，由南北向转向南东或南西向偏转，呈一帚状形态。两断裂带间三角地带为侵入的花岗岩体。南北向转南西向弧形构造带、南北向构造带及东北向构造带组成区内构造体系，形成“A”字形基本构造骨架。距区段最近为广林坡断层，与隧道交于D1K220+972，线路与断层交角59°，走向N63°W，倾向SW，倾角约60°。地表发育于志留系中上统(S2-3)条带状、网纹状灰岩、砂质白云岩、砂岩夹页岩中，洞身段穿燕山期花岗岩地层，断裂附近岩体破碎，糜棱岩、碎裂岩发育。沿断层有花岗岩侵入。

1.1.2水文地质特征

隧区地下水主要为基岩裂隙水，地表局部沟槽少量第四系松散岩类孔隙水，地下水受地表水系、地形地貌和构造形迹的控制，区内发育的由南北向转为南西向的弧形泸水-瑞丽断裂带(F2)，和由南北向转为北东向的怒江断裂带(F1)，使地下水的径流与排泄都受断裂带的控制。纵伸于测区中部的高黎贡山是地表水系的天然分水岭，区内地下水径流系统的分水岭位置与地表径流系统一致。由于受到地形的控制，总体上是从北向南径流的，在区内集中化排泄程度不高。

隧区地下水以大气降雨补给为主，局部受地表水体补给。其补给条件与降雨量、地形地貌及岩性等条件密切相关，沿分水岭地带高黎贡山区平均年降雨量均在2 000mm以上，且降雨量相对较大。因而，地下水获得的补给量相对较大，该区具有地下水相对丰富、径流途径短、沿沟谷渗透汇集等特征。

1.2 局部突泥涌水处理情况

2019年8月27日，出口平导TBM掌子面掘进至PDZK221+481处揭示围岩为全～强风化花岗岩，刀盘前方岩体呈泥砂状随水流不断涌出，涌渣量约100m3，突涌情况稳定后渗水情况随之减小至衰竭，同时TBM护盾及盾尾主梁区域拱部出现变形沉降，拱顶岩体呈巨块状下沉形成错台，下错高度约5cm，顶护盾被围岩挤压至极限位置(原有限位块受挤压弯曲变形)，盾尾拱架出现扭曲变形。

出口平导TBM自2019年8月27日在PDZK221+481处卡机以来，其处理过程可分为3个阶段：平导卡机常规处理阶段、增设高位导洞及盾尾管棚工作室阶段、管棚工作室突涌及应急处理阶段。另外，正洞TBM在掘进至D1K221+547.5(位于平导TBM后方66.5m)时，结合平导揭示的不良地质情况，采取主动停机以探测前方地质情况。

1.3 局部突泥涌水揭示及地质补勘

1.3.1围岩情况

1)平导(盾尾里程PDZK221+486.5)

平导盾尾拱部右侧围岩为弱风化花岗岩，局部节理、裂隙较发育，岩体呈块状构造，岩质较硬，整体地下水弱发育，以滴状、线状裂隙水为主。

2)正洞(掌子面里程DK221+547.5)

2019年10月21日，高黎贡山隧道出口正洞掌子面里程D1K221+547.5，掘进过程中扭矩由2 300kN·m增大至3 000～4 800kN·m，查看掌子面发现5点至11点位置围岩为全～强风化花岗岩，无水、较稳定，右上侧围岩完整，强度较高。护盾及盾尾左侧拱腰8点至10点范围围岩极破碎，掉块形成空腔，环向宽度约3m，径向深度约1.5m，延伸至刀盘区域，其余位置围岩完整。

1.3.2地下水情况

2019年8月27日，平导TBM掘进至掌子面里程PDZK221+481，揭示洞内围岩为燕山期花岗岩，地下水发育，呈滴状渗水及线状流水，拱顶左侧见股状水流出，水量约4m3/h，水质清澈，无压力，为基岩裂隙水。

平导PDZK221+481不良地质处理期间，平导施作钻孔51个，其中6个钻孔揭示有高压水，判断掌子面前方存在封闭囊状水，并具有高压富水特征。

1.3.3地质补勘情况

对应地表水未出现下渗，地表部分花岗岩呈全～强风化状，矿物成分有绿泥石蚀变现象，宽度约45m。

1)物探

通过使用TPS探测、HSP探测、TBM破岩震源波探测、激发极化探测等探测方法进行探测。分析结果如下：平导PDZK221+479—PDZK221+466，PDZK221+444—PDZK221+434区段节理裂隙发育，岩体破碎～极破碎，围岩自稳能力差。正洞D1K221+540—D1K221+530，D1K221+519—D1K221+478，D1K221+458—D1K221+456区段附近节理裂隙发育，岩体破碎，局部岩体自稳能力差，局部发育地下水。

2)钻探

正洞、平导以及高位导坑施作泄水孔、超前探孔(35个)及管棚共76个，采用自带风压回转钻进+水钻工艺。根据超前钻孔判断，平导护盾前方3～24m范围为强～弱风化花岗岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，地下水弱～较发育；迂回导坑前方5～40m范围为强～弱风化花岗岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，地下水较发育；前方0～24m范围为强～弱风化花岗岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，地下水弱～较发育。

1.3.4地质条件分析

根据平导、迂回导坑等钻孔探测情况，推测PDZK221+481卡机段前方发育构造风化破碎带，该破碎带具有岩体破碎、部分泥化、高压富水、易涌突的特征。破碎带走向约为N74°E，与线路走向夹角约24°，推测构造破碎带大里程侧边界与平导交于PDZK221+483，与正洞交于D1K221+553附近。小里程侧边界未探明，具体宽度需进一步验证(推测破碎带宽度>20m)。根据超前钻孔，平导盾尾前方强～强风化花岗岩厚度3～24m，迂回导坑洞室前方弱风化花岗岩厚度5～17m，正洞盾尾前方强～弱风化花岗岩厚度0～24m。

根据正洞掌子面围岩情况、探孔及地表调绘，推测目前正洞掌子面已接近该构造风化破碎带。平导掌子面右侧7m以外，前方35m为弱风化花岗岩，岩体稳定性较好。

2 处理方案研究及优缺点分析

2.1 处理方案

2.1.1方案1：自平导TBM后方右侧增设迂回导坑

1)处理措施

在平导TBM后方约245m处右侧(面向掌子面，下同)增设迂回导坑，并在广林坡断层前转入平导线位，利用迂回导坑超前施工平导及正洞的广林坡断层范围。

从迂回导坑向平导PDZK221+481附近增设高位支洞，通过高位支洞对平导上方的不良地质进行泄水、加固。利用迂回导坑超前平导，并反向施工加固平导不良地质。当正洞TBM遇到不良地质并出现卡机时，可通过迂回导坑绕行加固处理。当平导TBM需检修时，可在平导线位设置TBM检修洞。

2)迂回导坑设计(见图1)

图1 迂回导坑靠近广林坡断层附近段平面示意

迂回导坑沿平导右侧(面向掌子面)30m平行设置，考虑梭矿等有轨运输的要求，转弯半径按50m控制。迂回导坑转入平导的具体里程应结合探测确定的广林坡断层位置确定。迂回导坑标高与两端平导交点处的轨顶标高齐平顺接。

迂回导坑按有轨运输单车道控制，每隔350～400m设置1处错车道。单车道内净空尺寸为4.1m(宽)×4.35m(高)，错车道内净空尺寸为6.25m(宽)×5.2m(高)。

3)高位支洞对不良地质的处理

从迂回导坑YHDK0+221.56处增设高位支洞，并设置高位作业洞室用以泄水、加固构造风化破碎带。

为确保TBM成功脱困，通过高位作业洞室向平导方向施作φ108超前注浆管棚(内设钢筋笼)及泄水孔，1m×1m(横×纵)梅花形布置，管棚长度按穿过风化带并进入对侧基岩不小于5m控制。为避免水泥浆液损坏TBM密封件等设备，在底部第1排采用化学注浆，其余采用水泥浆，如图2,3所示。

图2 高位支洞平面示意(单位：cm)

图3 高位支洞加固平导上方不良地质典型横断面设计(单位:cm)

4)平导反向施工加固平导不良地质段

通过迂回导坑施工至卡机段前方，采用钻爆法反向施工(见图4)，通过不良地质段并对受困TBM周边围岩进行加固使其脱困。采用钻爆法反向施工至平导构造风化破碎带时，采用φ108大管棚+大外插角小导管进行超前注浆加固并确保超前大管棚长度覆盖PDZK221+486.7—PDZK221+490.75段。

图4 平导突涌段爆钻法反向施工纵断面示意(单位：cm)

2.1.2方案2：在平导与正洞之间增设迂回导坑

1)处理措施

在平导TBM后方约245m处左侧正洞与平导之间增设迂回导坑，并在广林坡断层前转入平导线位，利用迂回导坑超前施工平导及正洞的广林坡断层范围。利用迂回导坑超前平导，并反向施工加固平导不良地质。

当正洞TBM遇到不良地质并出现卡机时，可通过迂回导坑超前加固处理。当平导TBM需检修时，可在平导线位设置TBM检修洞。

2)迂回导坑设计(见图5)

图5 迂回导坑靠近广林坡断层附近段平面

迂回导坑沿平导左侧15m平行设置，考虑梭矿等有轨运输的要求，转弯半径按50m控制。迂回导坑转入平导的具体里程应结合探测确定的广林坡断层位置确定。迂回导坑标高与两端平导交点处的轨顶标高齐平顺接。

受迂回导坑与平导、正洞之间的净距限制，本方案不考虑通过迂回导坑设置高位支洞。

3)其他

本方案的运输组织、平导不良地质段反向加固措施、特殊衬砌设计均与方案一相同。

2.1.3方案3：利用正洞TBM超前施工

本方案基于正洞TBM在进入广林坡断层前，能够超前平导刀盘至少280m。

1)处理措施

在正洞TBM超前平导约280m后，从正洞D1K221+460附近(超前平导掌子面约20m)朝平导方向开设横通道，并采用钻爆法反向施工平导，加固平导不良地质段。

由于要采用钻爆法施工广林坡断层，故正洞TBM在进入断层前(或卡机后)，仍需要等待钻爆法施工的平导超前处理。本方案平面如图6所示。

图6 方案3示意

2)其他

本方案的运输组织、平导不良地质段反向加固措施、特殊衬砌设计均与方案1相同。

2.2 处理方案比选及推荐

2.2.1方案优缺点比较

平导不良地质处理方案优缺点比较分析如表1所示。

表1 方案优缺点对比分析

2.2.2比较分析

从上述方案的优缺点综合比较分析看，虽然方案1的工程规模相对更大，但其在施工安全、工期可靠性保障、不良地质处理手段选择等方面具有更大的优势，故推荐尽快实施方案1，并根据正洞TBM掘进情况，必要时，可同时考虑通过正洞处理平导不良地质及前方广林坡断层。

3 结语

本文讨论的方案1已经于现场实施完成，经过2年多的监测，平导洞内无异常。

TBM脱困的原理是采取一系列措施尽可能减小刀盘阻力和护盾阻力，使其满足TBM掘进施工的脱困扭矩及推力，过程中需采取加强支护手段，保证初支强度，必要时采用钻爆法辅助通过，其处理原则和理念均要“泄水降压、改良围岩、释放空间”，通过对TBM刀盘前方不良地质围岩泄水固结，注浆加固改良围岩状态，提高围岩自稳程度后，采用一定辅助措施释放TBM设备周边空间，帮助TBM脱困或TBM自行脱困。在方案研究阶段，按不良地质处理原则，泄水降压、注浆加固、盾壳周边扩挖等具体脱困方式的选择，应重点考虑方案的可行性、可操作性、安全性和经济性。